作者：杨金珊审校：陈之炎

本文约4300字，建议阅读8分钟“Attention is all you need”一文在注意力机制的使用方面取得了很大的进步，对Transformer模型做出了重大改进。

目前NLP任务中的最著名模型（例如GPT-2或BERT），均由几十个Transformer或它们的变体组成。

背景

减少顺序算力是扩展神经网络GPU、ByteNet和ConvS2S的基本目标，它们使用卷积神经网络作为基本构建块，并行计算所有输入和输出位置的隐含表示。在这些模型中，将来自两个任意输入或输出位置的信号关联起来，所需的操作数量随着位置距离的增加而增加，对于ConvS2S来说，二者是线性增长的；对于ByteNet来说，二者是对数增长的。这使得学习遥远位置之间的依赖关系变得更加困难。在Transformer中，将操作数量减少到一个恒定数值，这是以降低有效分辨率为代价的，因为需要对注意力权重位置做平均，多头注意力 （Multi-Head Attention）抵消了这一影响。

为什么需要transformer

在序列到序列的问题中，例如神经机器翻译，最初的建议是基于在编码器-解码器架构中使用循环神经网络（RNN）。这一架构在处理长序列时受到了很大的限制，当新元素被合并到序列中时，它们保留来自第一个元素的信息的能力就丧失了。在编码器中，每一步中的隐含状态都与输入句子中的某个单词相关联，通常是最邻近的那个单词。因此，如果解码器只访问解码器的最后一个隐含状态，它将丢失序列的第一个元素相关的信息。针对这一局限性，提出了注意力机制的概念。

与通常使用RNN时关注编码器的最后状态不同，在解码器的每一步中我们都关注编码器的所有状态，从而能够访问有关输入序列中所有元素的信息。这就是注意力所做的，它从整个序列中提取信息，即过去所有编码器状态的加权和，解码器为输出的每个元素赋予输入的某个元素更大的权重或重要性。从每一步中正确的输入元素中学习，以预测下一个输出元素。

但是这种方法仍然有一个重要的限制，每个序列必须一次处理一个元素。编码器和解码器都必须等到t-1步骤完成后才能处理第t-1步骤。因此，在处理庞大的语料库时，计算效率非常低。

什么是Transformer

Transformer是一种避免递归的模型架构，它完全依赖于注意力机制来绘制输入和输出之间的全局依赖关系。Transformer允许显著的并行化……Transformer是第一个完全依靠自注意力来计算输入和输出的表示，而不使用序列对齐的RNN或卷积的传导模型。

 

图1  Transformer 架构

从图1可以观察到，左边是一个编码器模型，右边是一个解码器模型。两者都包含一个重复N次的“一个注意力和一个前馈网络”的核心块。但为此，首先需要深入探讨一个核心概念:自注意力机制。

Self-Attention基本操作

Self-attention是一个序列到序列的操作:一个向量序列进去，一个向量序列出来。我们称它们为输入向量, ，…，和相应的输出向量, ，…，。这些向量的维数都是k。要产生输出向量，Self-attention操作只需对所有输入向量取加权平均值，最简单的选择是点积。在我们的模型的Self-attention机制中，我们需要引入三个元素:查询、值和键(Queries, Values and Keys)。

class SelfAttention(nn.Module):
  def __init__(self, embed_size, heads):
    super(SelfAttention,self).__init__()
    self.embed_size=embed_size
    self.heads=heads
    self.head_dim=embed_size//heads


    assert(self.head_dim*heads==embed_size),"Embed size needs to be div by heads"


    self.values=nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)
    self.keys=nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)
    self.queries=nn.Linear(self.head_dim, self.head_dim, bias=False)
    self.fc_out=nn.Linear(heads*self.head_dim, embed_size)
  def forward(self,values,keys,query,mask):
    N=query.shape[0]
    value_len,key_len,query_len=values.shape[1],keys.shape[1],query.shape[1]


    #split embedding into self.heads pieces
    values=values.reshape(N,value_len,self.heads,self.head_dim)
    keys=keys.reshape(N,key_len,self.heads,self.head_dim)
    queries=query.reshape(N,query_len,self.heads,self.head_dim)


    values=self.values(values)
    keys=self.keys(keys)
    queries=self.queries(queries)
    energy=torch.einsum("nqhd,nkhd->nhqk",[queries,keys])
    #queries shape: (N,query_len, heads, heads_dim)
    #keys shape: (N,key_len, heads, heads_dim)
    #energy shape: (N,heads,query_len,key_len)
    if mask is not None:
      energy=energy.masked_fill(mask==0,float("-1e20"))#close it ,0
    attention=torch.softmax(energy/(self.embed_size**(1/2)),dim=3)#softmax
    out=torch.einsum("nhql,nlhd->nqhd",[attention,values]).reshape(N,query_len,self.heads*self.head_dim)
    #attention shape: (N,heads, query_len,key_len)
    #values shape: (N,value_len,heads,head_dim)#key_len=value_len=l
    #after einsum(N,query_len,heads,head_dim) then flatten last two dim


    out=self.fc_out(out)
    return out

Queries,Values和Keys

在自注意力机制中，通常输入向量以三种不同的方式使用:查询、键和值。在每个角色中，它将与其他向量进行比较，以获得自己的输出(Query)，获得第j个输出(Key)，并在权重建立后计算每个输出向量(Value)。为了得到这些，我们需要三个维数为k * k的权重矩阵，并为每个计算三个线性变换:

图2  查询、值和键(Queries, Values and Keys)三元素

通常称这三个矩阵为K、Q和V，这三个可学习权值层应用于相同的编码输入。因此，由于这三个矩阵都来自相同的输入，可以应用输入向量本身的注意力机制，即“Self-attention”。

TheScaledDot-ProductAttention（带缩放的点积注意力）

输入由维的“查询”和“键”以及维的“值”值组成。我们用所有“键”计算“查询”的点积，每个“键”除以的平方根，应用一个softmax函数来获得值的权重。

使用Q, K和V矩阵来计算注意力分数。分数衡量的是对输入序列的其他位置或单词的关注程度。也就是说，查询向量与要评分的单词的键向量的点积。对于位置1，我们计算和的点积，然后是、2, 、等等，…

接下来应用“缩放”因子来获得更稳定的梯度。softmax函数在大的值下无法正常工作，会导致梯度消失和减慢学习速度[1]。在“softmax”之后，我们乘以“值”矩阵，保留想要关注的单词的值，并最小化或删除无关单词的值(它在V矩阵中的值应该非常小)。

这些操作的公式为:

Multi-head Attention（多头注意力）

在前面的描述中，注意力分数一次集中在整个句子上，即使两个句子包含相同的单词，但顺序不同，也将产生相同的结果。相反，如果想关注单词的不同部分，”self-attention”的辨别能力则比较大，通过组合几个自注意力头，将单词向量分成固定数量(h，头的数量)的块，然后使用Q, K和V子矩阵将自注意力应用到相应的块。

 

图3 多头注意力机制

由于下一层(前馈层)只需要一个矩阵，每个单词的一个向量，所以“在计算每个头部的点积之后，需要连接输出矩阵，并将它们乘以一个附加的权重矩阵Wo”[2]。最后输出的矩阵从所有的注意力头部获取信息。

PositionalEncoding（位置编码）

前文已经简单地提到，由于网络和self-attention机制是排列不变的，句子中单词的顺序是该模型中需要解决的问题。如果我们打乱输入句子中的单词，会得到相同的解。需要创建单词在句子中位置的表示，并将其添加到单词嵌入（embedding）中。

为此，我们在编码器和解码器栈底部的输入嵌入中添加了“位置编码”。位置编码与嵌入具有相同的维数，因此两者可以求和，位置编码有多种选择。

应用一个函数将句子中的位置映射为实值向量之后，网络将学习如何使用这些信息。另一种方法是使用位置嵌入，类似于单词嵌入，用向量对每个已知位置进行编码。“它需要训练循环中所有被接受的位置的句子，但位置编码允许模型外推到比训练中遇到的序列长度更长的序列”，[1]。

TransformerBlock（Transformer代码块）

class TransformerBlock(nn.Module):
  def __init__(self, embed_size,heads,dropout,forward_expansion):
    super(TransformerBlock,self).__init__()
    self.attention=SelfAttention(embed_size,heads)
    self.norm1=nn.LayerNorm(embed_size)
    self.norm2=nn.LayerNorm(embed_size)


    self.feed_forward=nn.Sequential(
        nn.Linear(embed_size, forward_expansion*embed_size),
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(forward_expansion*embed_size,embed_size)
    )
    self.dropout=nn.Dropout(dropout)
  def forward(self,values,keys,query,mask):
    attention=self.attention(values,keys,query,mask)
    x=self.dropout(self.norm1(attention+query))
    forward=self.feed_forward(x)
    out=self.dropout(self.norm2(forward+x))
    return out

Theencoder（编码器）

• 位置编码:将位置编码添加到输入嵌入(将输入单词被转换为嵌入向量)。

• N=6个相同的层，包含两个子层:一个多头自注意力机制，和一个全连接的前馈网络(两个线性转换与一个ReLU激活)。它按位置应用于输入，这意味着相同的神经网络会应用于属于句子序列的每一个“标记”向量。

 

• 每个子层(注意和FC网络)周围都有一个残余连接，将该层的输出与其输入相加，然后进行归一化。

• 在每个残余连接之前，应用正则化:“对每个子层的输出应用dropout，然后将其添加到子层输入并正则化。

 

图4 编码器结构

class Encoder(nn.Module):
  def __init__(
      self,
      src_vocab_size,
      embed_size,
      num_layers,
      heads,
      device,
      forward_expansion,
      dropout,
      max_length):
    super(Encoder,self).__init__()
    self.embed_size=embed_size
    self.device=device
    self.word_embedding=nn.Embedding(src_vocab_size,embed_size)
    self.position_embedding=nn.Embedding(max_length,embed_size)
    self.layers=nn.ModuleList(
        [
         TransformerBlock(
             embed_size,
             heads,
             dropout=dropout,
             forward_expansion=forward_expansion
         ) for _ in range(num_layers)
        ]
    )
    self.dropout=nn.Dropout(dropout)
  def forward(self,x,mask):
    N,seq_length=x.shape
    positions=torch.arange(0,seq_length).expand(N,seq_length).to(self.device)


    out=self.dropout(self.word_embedding(x)+self.position_embedding(positions))
    for layer in self.layers:
      out=layer(out,out,out,mask)   #key,query,value all the same
    return out

DecoderBlock（解码器代码块）

• 位置编码:编码器的编码相类似。

• N=6个相同的层，包含3个子层。第一，屏蔽多头注意力或屏蔽因果注意力，以防止位置注意到后续位置。禁用点积注意力模块的软最大层，对应的值设置为−∞。第二个组件或“编码器-解码器注意力”对解码器的输出执行多头注意力，“键”和“值”向量来自编码器的输出，但“查询”来自前面的解码器层，使得解码器中的每个位置都能覆盖输入序列中的所有位置。，最后是完连接的网络。

• 每个子层周围的残差连接和层归一化，类似于编码器。

• 然后重复在编码器中执行的相同残差dropout。

class DecoderBlock(nn.Module):
  def __init__(self, embed_size,heads,dropout,forward_expansion,device):
    super(DecoderBlock,self).__init__()
    self.attention=SelfAttention(embed_size,heads)
    self.norm=nn.LayerNorm(embed_size)
    self.transformer_block=TransformerBlock(
        embed_size, heads, dropout, forward_expansion
    )
    self.dropout=nn.Dropout(dropout)
  def forward(self,x,value,key,src_mask,trg_mask):
    #source mask and target mask
    attention=self.attention(x,x,x,trg_mask)#trg_mask is the mask mult-headed attention the first one in decoder block
    query=self.dropout(self.norm(attention+x))
    out=self.transformer_block(value,key,query,src_mask)
    return out

在N个堆叠的解码器的最后，线性层，一个全连接的网络，将堆叠的输出转换为一个更大的向量，logits。

图5 解码器结构

Joining all the pieces: the Transformer（全部拼接起来构成Transformer）

定义并创建了编码器、解码器和linear-softmax最后一层等部件之后，便可以将这些部件连接起来，形成Transformer模型。

值得一提的是，创建了3个掩码，包括:

编码器掩码:它是一个填充掩码，从注意力计算中丢弃填充标记。

解码器掩码1:该掩码是填充掩码和前向掩码的结合，它将帮助因果注意力丢弃“未来”的标记，我们取填充掩码和前向掩码之间的最大值。

解码器掩码2:为填充掩码，应用于编码器-解码器注意力层。

class Transformer(nn.Module):
  def __init__(
      self,
      src_vocab_size,
      trg_vocab_size,
      src_pad_idx,
      trg_pad_idx,
      embed_size=256,
      num_layers=6,
      forward_expansion=4,
      heads=8,
      dropout=0,
      device="cuda",
      max_length=100):
    super(Transformer,self).__init__()
    self.encoder=Encoder(
        src_vocab_size,
        embed_size,
        num_layers,
        heads,
        device,
        forward_expansion,
        dropout,
        max_length
    )
    self.decoder=Decoder(
        trg_vocab_size,
        embed_size,
        num_layers,
        heads,
        forward_expansion,
        dropout,
        device,
        max_length
    )
    self.src_pad_idx=src_pad_idx
    self.trg_pad_idx=trg_pad_idx
    self.device=device
  def make_src_mask(self,src):
    src_mask=(src!= self.src_pad_idx).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
    #(N,1,1,src_len)
    return src_mask.to(self.device)
  def make_trg_mask(self,trg):
    N,trg_len=trg.shape
    trg_mask=torch.tril(torch.ones((trg_len,trg_len))).expand(
        N,1,trg_len,trg_len
    )
    return trg_mask.to(self.device)
  def forward(self,src,trg):
    src_mask=self.make_src_mask(src)
    trg_mask=self.make_trg_mask(trg)
    enc_src=self.encoder(src,src_mask)
    out=self.decoder(trg, enc_src,src_mask, trg_mask)
    return out

参考文献：

[1] Peter Bloem, “Transformers from scratch” blog post, 2019.

[2] Jay Alammar, “The Ilustrated Transformer” blog post, 2018.

编辑：王菁

校对：林亦霖

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